DD236982A5 - Kreuzstrom-waermeaustauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kreuzstromwaermeaustauscher aus keramischen Material. Es ist Ziel der Erfindung, den Kreuzstromwaermeaustauscher so zugestalten, dass die Groesse des Kreuzstromwaermeaustauschers je nach Bedarf variierbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einzelne Kreuzstromwaermeaustauscherelemente zu groesseren Baueinheiten so zusammenzufassen, dass die sich kreuzenden Kanaele fuer das Waermeaustauschermedium voneinander gasdicht getrennt werden. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass jedes Waermetauschelement an allen vier kanalfreien Seitenraendern jeder Seitenflaeche mit Aushebungen bzw. Erhebungen versehen ist, so dass gegenueberliegende Waermetauschelemente ineinander passen und sich die Seitenflaechen im Gaskanalbereich nicht beruehren, so dass eine flache Hohlkammer zwischen benachbarten Waermetauschelementen entsteht, zwischen je einer gegenueberliegenden Aushebung und einer Erhebung ein Dichtstreifen angeordnet ist, jedes Waermetauschelement an den Boden- und Deckelflaechen mit mindestens einer Erhebung bzw. Aushebung gleicher Form versehen ist. Der Kreuzstromwaermeaustauscher wird zur Uebertragung von Waerme eingesetzt. Fig. 1

Description

Hierzu 8 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Kreuzstromwärmeaustauscher aus keramischen Material. Bei der Übertragung von Wärme bei hohen Temperaturen und/oder korrosiven Wärmeaustauschermedien wurden in der jüngeren Vergangenheit vermehrt Wärmeaustauscher aus keramischen Materialien vorgeschlagen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Da solche Wärmeaustauscher gleichzeitig für hohe Arbeitstemperaturen bis zu 1400°C geeignet sind und, je nach keramischem Werkstoff, resistent sind gegen aggressive Medien, eignen sie sich besonders für den Einsatz in solchen Fällen, in denen hocherhitzte aggressive Gase abgekühlt oder aufgeheizt werden sollen. Auch dann, wenn bei Taupunktsunterschreitungen aggressive kondensierte Phasen entstehen, können solche keramischen Wärmeaustauscher eingesetzt werden. Besonders Wärmeaustauschermodule, wie sie in der DE-PS 2631092 beschrieben sind, zeichnen sich durch eine große Wärmeaustauschfläche aus und werden durch das beschriebene Herstellungsverfahren kostengünstig verfügbar. Bei herkömmlichen Wärmeaustauschern aus Metall lassen sich, wenn überhaupt, nur höchstwertige Werkstoffe zur Herstellung solcher Wärmeaustauscher verwenden, so daß eine Wärmeübertragung in diesen Fällen nur zu außerordentlich hohen Kosten möglich ist.

In der DE-PS 2631092, wird ein modular aufgebautes Wärmeaustauscherelement aus keramischem Material beschrieben. Durch Werkstoffauswahl und durch die Wahl geringer Schichtdicken der Trennwände zwischen den einzelnen Kanälen, die schichtweise, kreuzweise angeordnet sind, ist es dem Erfinder gelungen, das Schadenrisiko durch Temperaturwechselbeanspruchung, das einer weiteren Verbreitung solcher keramischer Wärmeaustauscher in der Technik bisher entgegenstand, zu minimieren und gleichzeitig die Wärmeaustauschfläche, die in einem gegebenen Volumen zur Verfügung steht, zu maximieren. Für die großtechnische Anwendung, insbesondere Durchsatz großer Volumina, ergeben sich für einzelne Elemente außerordentlich große räumliche Abmessungen. Die Herstellung derartig großer Elemente bereitet nun aber Schwierigkeiten, da einerseits die einzelnen Module, bestehend aus „grüner" keramischer Masse nach dem Zusammenfügen zu einem Wärmeaustauscherelement gebrannt werden müssen. Dazu sind große Brennkammern und sorgfältige Abkühlverfahren notwendig, um das Auftreten von Rissen aufgrund von Thermospannungen zu vermeiden. Andererseits können derartig große Elemente nur mit außerordentlich großem Risiko transportiert werden. Treten Schaden an solchen großen Elementen auf, ist das ganze Element wertlos.

In der DE-P^r; 2631 092 wird eins Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche und eine Vergrößerung des Durchsatzes der Wärmeaustauschermedien dadurch erreicht, daß er Doppelmodule schafft, die durch ein System von Trennwänden zu einer größeren Einheit zusammengesetzt werden. In der DE-PS 2707 290 wird ein Wärmeaustauscher beschrieben, aufgebaut aus einzelnen Elementen, die ihrerseits mit Zwischenlagern aus keramischen Fasermaterial zu größeren Baueinheiten zusammengesetzt werden. Die Lösung sieht vor, durch Nuten und Stege die Öffnungen, durch die die Wärmeaustauschermedien fließen, zur Deckung zu bringen.

In der DE-OS 2934973 werden gerippte Lagen aus keramischem Material miteinander verklebt und so ein Wärmeaustauscherelement erhalten. Das erhaltene Wärmeaustauscherelement wird nun von einem aus Platten bestehenden metallischen Gehäuse umgeben. Die Platten werden durch Bolzen, Schrauben und Federn gegen die Seitenflächen des Wärmeaustauscherelementes gedrückt, wobei die Dichtungsmaterialien federnd und nachgiebig sein sollen. Das Zusammensetzen mehrerer Wärmeaustauscherelemente zu einer größeren Baueinheit wird in dieser Erfindung nicht vorgesehen.

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Auch in der-DE-PS 2510893 wird ein Rekuperator beschrieben, der aus einzelnen Formsteinen aufgebaut ist. Hier bilden jeweils 2 Formsteine einen Kanal für ein Wärmeaustauschermedium. Erst zusammen mit einem 3. Formstein ergibt sich auch ein Kanal für ein 2. Wärmeaustauschermedium. Der Aufbau eines Rekuperators vollzieht sich nun gemäß der beschriebenen Erfindung so, daß eine vorhandene Kammer mit Formsteinen und Wandsteinen ausgemauert wird, wobei die Formsteine mit Nuten und Federn versehen sind. Kurzschlußströmungen zwischen den beiden Wärmeaustauschmedien können gegebenenfalls durch Vermauern mit Mörtel vermieden werden. Durch die Größe der Formsteine ist die auf das Volumen des Rekuperators bezogene Wärmeaustauscherfläche verhältnismäßig klein. Eine Verkleinerung der Kanäle, welche eine Erhöhung der Wärmeaustauschenden Fläche in einem gegebenen Volumen bedeutet, ist mit den vorgeschlagenen Formsteinen nahezu unmöglich, da das Vermauern mit abnehmender Größe der Formsteine immer schwieriger wird, und ein interessantes Verhältnis von Wärmeaustauschender Fläche zu Rekuperatorvolumen so nicht erreicht werden kann.

Auch in der DE-OS 2937 342 wird eine größere Baueinheit aus Wärmeaustauscherelementen zusammengesetzt, wobei ebenfalls die einzelnen Bauelemente durch Bolzen, Schrauben und Federn gegeneinander gespannt werden.

In der EP-PS 0043113 wird ein Kreuzstromwärmeaustauscher beschrieben, der aus keramischen Wärmeaustauschermodulen besteht, die ebenfalls über eine Spannvorrichtung, bestehend aus Schrauben, Federn und Bolzen gegeneinander gedruckt und so gasdicht in Verbindung gebracht werden.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung einen Kreuzstrom-Wärmeaustauscher zweckentsprechend so zu gestalten, daß die Größe des Kreuzstrom-Wärmeaustauscher je nach Bedarf variierbar ist und dadurch erhebliche Kosten eingespart werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einzelne Kreuzstromwärmeaustauscherelemente zu größeren Baueinheiten so zusammenzufassen, daß die sich kreuzenden Kanäle für das Wärmeaustauschermedium voneinander gasdicht getrennt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun nach der vorliegenden Erfindung darin, daß die oben beschriebenen Wärmeaustauscherelemente so modifiziert werden, daß die Schichtdicke der oberen und unteren Begrenzungsfläche des Elementes so stark vergrößert wird und die Stege, die die senkrecht stehenden Kanten bilden, ebenfalls so vergrößert werden, daß sie eine mechanische Bearbeitung aller Flächen des Wärmeaustauscherelementes ermöglichen. Die Bearbeitung des einzelnen Wärmeaustauscherelements resultiert darin, daß es an allen vier kanalfreien Seitenwänden jeder Seitenfläche mit umlaufenden Aushebungen oder Erhebungen versehen wird. Diese Aushebungen bzw. Erhebungen sind nun so gestaltet, daß die Aushebungen, die Matrix für die Erhebungen darstellen. Auf jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen des Wärmeaustauscherelements befinden sich auf der einen Seite Aushebungen, auf der gegenüberliegenden Seite die entsprechenden Erhebungen. Die Seitenflächen werden darüber hinaus an all ihren Kanten mit einer Aussparung versehen, deren Schnittbild ein Viertel des Umfangs eines symmetrischen Kanals bildet, wenn mehrere Wärmeaustauscherelemente zusammengefügt werden. Durch die Bearbeitung der Seitenflächen treten die mit Öffnungen versehenen inneren Partien der Seitenflächen gegenüber den Aushebungen bzw. Erhebungen etwas zurück, so daß beim Zusammensetzen zweier Wärmeaustauscherelemente eine ringsherum geschlossene flache Hohlkammer entsteht, so daß nicht notwendigerweise die einzelnen Kanäle genau deckungsgleich voreinander angeordnet sein müssen.

Weitere Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß zwischen je einer gegenüberliegenden Aushebung und einer Erhebung ein Dichtstreifen angeordnet ist, jedes Wärmetauschelement an den Boden- und Deckelflächen mit mindestens einer Erhebung bzw. Aushebung gleicher Form versehen ist, um formschlüssig aneinander zu passen, die Wärmeisolierung zwischen dem Metallgehäuse und dem Block der keramischen Wärmetauschelementeden Blockformschlüssig an Boden und Deckel und kraftschlüssig in Richtung der Gaseintritt- und Gasaustrittstutzen umschließt. Die Aushebungen bzw. Erhebungen am Seitenrand einer Seitenfläche sind profiliert und zwischen gegenüberliegenden ein Kanal entsteht, der mit hitzebeständigem Material ausgefüllt ist. Dem Block der Wärmetauschelemente ist an den Seitenflächen je eine Stütznabe vorgesetzt. Der erfindungsgemäße keramische Wärmeaustauscher baut sich nun wie folgt auf:

Ein geeignetes Gehäuse z. B. aus metallischen Werkstoffen mit in einer Ebene angeordneten, senkrecht aufeinander stehenden Durchführungen und Ansätzen mit Anschlußflanschen wird mit einem temperaturbeständigen isolierenden, wenig oder nicht kompressiblen Material ausgemauert. Der Boden des Gehäuses ist eben und im Deckel des Gehäuses befindet sich eine Aussparung von der Größe z. B. der Kreuzungsfläche der sich kreuzenden Durchführungen. Auf dieser Aussparung ist ein Kragen fest mit dem Gehäuse verbunden, der an seiner oberen Kante mit einer Dichtfläche versehen ist und mit einem geeigneten Deckel gasdicht verschlossen werden kann. Auf den Boden dieses Gehäuses werden nun trocken oder in einem Mörielbrettdie einzelnen zuvor im Sinne der vorliegenden Erfindung bearbeiteten Wärmeaustauscherelemente verlegt, in dem die Kreuzungsfläche der Durchlässe Element für Element ausgefüllt wird, wobei in allen 4 Richtungen die Anordnung entweder in die Durchlässe hineinragt oder die Eckelemente in eine Aussparung der Ausmauerung eingepaßt werden. Nachdem die erste Lage der Wärmeaustauscherelemente komplett hergestellt ist, werden die an den Stoßkanten erhaltenen Kanäle und Fugen mit einer geeigneten Masse verschlossen. Die 2. Lage von Wärmeaustauscherelementen wird ganz analog aufgebaut und fertiggestellt. Auf diese Weise wird fortgefahren bis der komplette Querschnitt aller Durchlässe mit Wärmeaustauscherelementen versehen ist. Nachdem alle Kanäle und Fugen an den Stoßkanten der einzelnen Wärmeaustauscherelemente mit einer geeigneten Ausgußmasse verschlossen wurde, wird auch die Aussparung an der Oberseite des Wärmeaustauschers mit wärmebeständigem und isolierendem Ausmauerungsmaterial ausgefüllt und der Deckel auf den Kragen des Wärmeaustauschergehäuses mit einer geeigneten Dichtung in bekannter Weise befestigt.

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Besonders vorteilhaft wird verfahren, wenn bei Verwendung geeigneter Materialien und bei geeigneter Wahl der Schichtdicke · thermische Spannungen, ggf. durch mehrschichtige Anordnung, ggf. durch Wahl und unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten behaftete Materialien minimiertwerden. Das Wärmeaustauschergehäuse wird verhältnismäßig kühl gehalten, ggf. wird es sogar zwangsgekühlt. Einer der Erfindungsgedanken richtet sich darauf, daß durch Kühlhalten des Gehäuses die thermische Ausdehnung dort kleiner oder gleich gehalten wird als die der Anordnung von Wärmeaustauscherelementen. Dadurch wird im Betriebsfall auf die Anordnung der Wärmeaustauscherelemente eine Pressung ausgeübt, die sicherstellt, daß die einzelnen Elemente in Position gehalten werden und die Bildung von Rissen oder sonstigen undichten Stellen, die ohne Anwendung von Druck beobachtet werden, unterbunden werden. Das Wärmeaustauschergehäuse benötigt daher keinerlei Spannvorrichtungen.

Im Sinne der Erfindung wird ggf. auch ein keramischer Leitapparat, wie er in Fig.3 dargestellt ist, vor die Seitenflächen der Anordnung aus Wärmeaustauscherelementen vorgesehen, der sich in der Isolationsschicht bzw. am Gehäuse abstützt und geeignet ist, Pressungskräfte auf die zentral gelegenen Elemente zu übertragen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: ein Wärmeaustauscherelement modifiziert und durch Oberflächenbearbeitung in geeigneter Weise gestaltet;

Fig.2: den Schnitt A-A der aneinanderstoßenden Ecken von 4 Elementen nach Fig. 1;

Fig.3: einen erfindungsgemäßen keramischen Wärmeaustauscher in Außenansicht;

Fig. 4: den Horizontalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Wärmeaustauscherelement;

Fig. 5: den Schnitt durch den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher;

Fig. 6: die erfindungsgemäß vorgesehenen Aushebungen und Erhebungen spiegelbildlich angeordnet im Gegensatz zu Fig. 2;

Fig.7: die Zentrierung der einzelnen Wärmeaustauscherelemente durch eine Zentrierhülse;

Fig. 8: eine Ausführungsvariante der Stoßkanten von vier Wärmetauscherelementen.

Im einzelnen kann ein Wärmeaustauscherelement anhand von Fig. 1 beschrieben werden. Das Wärmeaustauscherelement 3, welches in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, besitzt Würfelgestalt. Sichtbar dargestellt sind 2 senkrecht stehende Seitenflächen und die obere waagerechte Seitenfläche. Im Wärmeaustauscherelementenrohling verliefen die Seitenflächen vor der erfindungsgemäßen Bearbeitung durch die Ebenen, in denen im fertigbearbeiteten Wärmeaustauscherelement 3 die Oberflächen der Erhebungen 14 liegen. Der mit den Öffnungen für die Kanäle 5 bzw. 4 belegte Teil der neu erhaltenen Seitenflächen liegen um den Abstand 15 von der ursprünglichen Seitenfläche nach innen versetzt. Diese Seitenflächen liegen in den Ebenen, die durch die gestrichelten Linien 7 angedeutet sind. Die Erhebungen 14 auf den senkrecht stehenden Seitenflächen haben anfangs rechtwinkligen Querschnitt 6b und weiter nach außen prismatische Querschnitte 6a, wobei sich die Erhebung 14 nach außen hin verjüngen. An den Eintrittsöffnungen der Medien, durch die Strompfeile angedeutet, 1,2, liegen die rechten Winkel im prismatischen Querschnitt 6 a der Erhebungen 14 auf der Innenseite, während sie an den Austrittsseiten der Medien 1, 2 durch die Strompfeile angedeutet, an den Außenseiten der Erhebungen 14 liegen.

An den Austrittsseiten ist der rechteckige Querschnitt 6b der Erhebung 12b und der prismatische Querschnitt 12a angedeutet. Die Außenfläche der Austrittsebene springt um den Abstand 13 hinter den prismatischen Querschnitt 12a der Erhebung 12b zurück. Während der winkelige Querschnitt 6 b und der prismatische Querschnitt 12a über die Austrittsflächen vorspringen, sind die Aushebungen durch die Schenkel der Winkel 8,9 gekennzeichnet. Die Oberseite und Unterseite des Wärmeaustauscherelements 3 besitzt keine Öffnungen von Strömungskanälen. Hier ist beispielsweise an der Oberseite eine Aushebung gezeichnet, die von den Kantenlinien 10 begrenzt wird und um den Abstand 11 abgesenkt ist. Nicht dargestellt, auf der Unterseite, ist eine Erhebung, ebenfalls begrenzt durch die Kantenlinien 10, sie ragt um den Abstand 11 über die Unterseite hinaus. Die Aushebungen bzw. Erhebungen auf den Seitenflächen dienen dazu, daß mehrere Wärmeaustauscherelemente 3 formschlüssig aneinandergesetzt werden können.

In den Fig. 2,4, 6 und 7 sind aus der Vielzahl der denkbaren Gestaltungsformen der Erhebungen bzw. Aushebungen drei Möglichkeiten gezeigt. In Fig.7 wird abweichend von der bisher beschriebenen Form das Wärmeaustauscherelement 3 an den senkrecht stehenden Seitenflächen spiegelsymmetrisch mit im Profil rechteckigen Erhebungen versehen. Ein Ring 16 ordnet die einzelnen Wärmeaustauscherelemente 3 fluchtend aneinander. Erkennbar wird darüber hinaus der beim Aneinanderfügen von einzelnen Wärmeaustauscherelementen 3 entstehende, im Querschnitt beispielsweise als ein rechtwinkliges Kreuz ausgebildete Kanal 17 bzw. 17a, der mit Dichtungsmasse verschlossen wird.

Fig. 5 zeigt beispielhaft die Ausgestaltung eines Kreuzstromwärmeaustauschers, der eine Anordnung von Wärmeaustauscherelementen 3 enthält. Dargestellt sind vier Gaseintritts- und Gasaustrittsstutzen 18 mit den dazugehörigen Flanschanschlüssen 19 und ein Deckel 20, der mit Schrauber. 7.1 mit dem Körper des Wärmeaustauschers fest und gasdicht verbunden ist. Die Strompfeile 1 und 2 deuten die Strömungsrichtung zweier sich kreuzender Wärmeaustauschermedien an. Die Wärmeaustauscherelemente 3 sind jeweils in einer Strömungsrichtung über Kanäle 17 bzw. 17a miteinander verbunden. Dem Block der Wärmetauschelemente 3 ist an den Seitenflächen je eine Stützwabe 24 vorgesetzt. Die Kanäle 17,17a einer Strömungsrichtung sind gegenüber der anderen Strömungsrichtung abgedichtet. Schematisch dargestellt ist die innere Auskleidung 22.

In Fig.8 ist eine beispielhafte Ausführung eines weiteren erfinderischen Gedankens schematisch als Schnittbild durch die Stoßkanten von vier Wärmeaustauscherelementen 3 gezeigt. Zwischen geeignet gestalteten Erhebungen 14 bzw. Austrittsflächen jedes Wärmeaustauscherelementes 3, die allseits umlaufend angeordnet sind, wird ein Dichtstreifen 23 bzw. eine Schicht aus grüner keramischer Masse zwischengelegt und später drucklos oder unter Druck-Stempeldruck oder z. B. Gehäusedruck- bei Sintertemperatur auf geeignete Weise getempert, wodurch eine feste, fugenlose und dichte Verbindung der Wärmeaustauscherelemente 3 entsteht (geeignet ist z. B. ein heißer Abgasstrom).

Claims (3)

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   Erfindungsanspruch:

   1. Kreuzstrom-Wärmetauscher bestehend aus einem Metallgehäuse mit je zwei Gaseintritts- und Gasaustrittsstutzen, mindestens einem Einbaudeckel auf der Oberseite des Gehäuses, einem Block aus einer Vielzahl von keramischen Wärmetauschelementen versatzfrei gesetzt in Quaderform mit kreuzweise übereinander geschichteten Gaskanälen, wobei vier Seitenflächen Gaskanalöffnungen aufweisen und die Boden- und Deckenflächen öffnungsfrei sind, einer Wärmeisolierung zwischen dem Metallgehäuse und dem Block der keramischen Wärmetauschelemente, gekennzeichnet dadurch, daß jedes Wärmetauschelement (3) an allen vier kanalfreien Seitenrändern jeder Seitenfläche mit Aushebungen bzw. Erhebungen (12 b) versehen ist, so daß gegenüberliegende Wärmetauschelemente (3) ineinanderpassen und sich die Seitenflächen im Gaskanalbereich nicht berühren, so daß eine flache Hohlkammer zwischen benachbarten Wärmetauschelementen (3) entsteht, zwischen je einer gegenüberliegenden Aushebung und einer Erhebung (14) ein Dichtstreifen (23) angeordnet ist, jedes Wärmetauschelement (3) an den Boden- und Deckelflächen mit mindestens einer Erhebung (14) bzw. Aushebung gleicher Form versehen ist, um formschlüssig ineinander zu passen, die Wärmeisolierung zwischen dem Metallgehäuse und dem Block der keramischen Wärmetauschelemente (3) den Blockformschlüssig an Boden und Deckel (20) und kraftschlüssig in Richtung der Gaseintritts- und Gasaustrittsstutzen (18) umschließt.
2. 2. Kreuzstrom-Wärmetauschernach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Aushebungen bzw. Erhebungen (12b) am Seitenrand einer Seitenfläche profiliert sind und zwischen gegenüberliegenden ein Kanal (17; 17 a) entsteht, der mit hitzebeständigem Material ausgefüllt ist.
3. 3. Kreuzstrom-Wärmetauscher nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Block der Wärmetauschelemente (3) an den Seitenflächen je eine Stützwabe (24) vorgesetzt ist.